表面能之间的相关性和附着力的聚乙烯/纸板:在层压包装质量控制的预测工具

文摘

可怜的粘附层压包装制造商仍然是一个问题。因此,本研究的目的是研究火焰处理的影响,涂层的类型,和淀粉应用聚乙烯/纸板的附着力。粘附力的决心使用皮测试方法;摘要表面能是通过接触角分析评估;和纸板粗糙度取决于表面光度仪。火焰处理并不影响表面粗糙度,但显著增加纸板表面能量。极地的纸板涂布胶乳显示更高的表面能比纸板涂上了非极性橡胶。聚乙烯的粘附力提供了一个线性相关纸板的表面能。因此,纸板的表面能是一个很好的指示其附着力的聚乙烯,这代表了一个非常可靠和实用方法的质量控制造纸工业生产层压包。

1。介绍

在层压包装,组件间附着力好是最重要的一个方面。然而,附着力差仍然是一个严重的问题,这类产品的制造商1,2]。在最近的一篇论文,奥利维拉et al。3)提出了一个方法来衡量塑料和铝层之间的附着力。这个测试由热绝缘的金属表面上的塑料薄膜的包装使用特定条件的时候,温度和压力。上述作者测量分层热绝缘塑料的附着力万能试验机和应用特定的角度和速度;他们得出结论,该方法稳定、精确、可复制的。

长寿命包装,还有塑料和铝层之间的附着力。然而,在这种包装的关键问题是聚乙烯和纸板之间的粘附力差。聚合物层压到纸的使用是很常见的,以提高其属性和增加几个产品的价值。然而,赵和Kwon [4]指出很少有研究在文献中关于这一重要技术现象虽然相当数量的研究可以找到关于聚合物粘附纸和技术。大多数的研究集中在物理学角度纸。

因此,本文的附着力低密度聚乙烯贴在纸板使用特定的分层设备进行了研究。火焰处理的影响和两种不同的涂层应用于顶部的纸板是评估通过测量纸张的表面能。淀粉的应用程序的影响在底部一侧的纸板也进行了研究。粘附力之间的关系/纸板的表面能是每个实验条件的评估。

2。文献综述

聚合物和纤维素之间的粘附现象是非常重要的在复合材料和纳米复合材料(5- - - - - -8]。Alamri和低(9)调查的影响吸水n-SiC的机械性能,再生纤维素纤维增强环氧eco-nanocomposites。SEM结果表明一个干净的退出导致纤维素纤维降解纤维基质界面结合,这是由于水的吸收。添加n-SiC发现提高纤维之间的界面粘附和矩阵。然而,本文的重点是聚合物/纤维素(纸)之间的粘附层压包装。

Tuominen et al。10)评估如何电晕、火焰和大气等离子治疗修改挤压涂布的表面低密度聚乙烯和聚丙烯的影响以及这些表面修改打印质量,也就是说,碳粉粘附和视觉质量的挤压涂料。他们得出结论,火焰处理打印质量有益的贡献,特别是在LDPE表面,产生最好的碳粉在LDPE表面粘附和视觉质量。

用于长寿命包装纸板,是由纤维素纤维交织在一起,通常从木材(11]:从松属长纤维和短纤维从桉树一般利用。(布朗)底部和顶部的纸板是由原色和漂白纤维,分别。涂层也向上面申请印刷的目的。纤维素纸浆,通过化学机械过程,作为过渡层的纸板11]。

良好的附着力取决于表面之间的亲密接触。因此,液体衬底上的润湿是至关重要的,这是由接触角(特征液体和固体之间的)。低角是可取的,他们表示,液体在固体表面传播。一个系统是稳定的 ,在哪里固体表面张力,是液体表面张力,是固-液表面张力(12,13]。

固体的附着力增加其表面能增加(12,14]。因此,纸张的表面能是一个重要的参数来改善其附着力长寿命的聚乙烯层压包装(12,14]。由于其非极性特点,聚乙烯具有表面能低至20 mJ / m²。因此,为了改善基质的粘附力,通常使用氧化治疗创建表面极性基团(12,15]。

之间的热力学粘附的工作可以被纸和聚乙烯(1)。它被定义为单位面积上的能量变化由于消除两个表面附着基质之间创建接口(4]: 在哪里纸张的表面能,是聚乙烯的表面能,是纸/聚乙烯之间界面的能量。

纸表面组件,如疏水性大小、木材抽提和填料(CaCO₃、粘土和滑石),降低表面能(4]。这种负面影响可以补偿由火焰或等离子治疗引入极性基团在纸表面。纸,涂料中胶粘剂的类型直接影响聚合物的粘附。Welander和Rigdahl16)观察聚乙烯显示更强的粘附纸涂布与丁苯和碳酸钙颜料比基于聚醋酸乙烯()涂层粘合剂和粘土色素。

陈等人。17)得出的结论是,添加无机填料在纸上有一个积极的影响压敏粘合剂(PSA)的粘附。然而,填充剂也可以减少纸的内部力量,和添加填料的好处是有限的,如果PSA从纸的方式去皮由于纸张分层导致失败。

据赵和水斗式(18),皮附着力测试被用来评估层压材料的粘接强度的至少一个层是灵活的。他们报告,使用皮测量描述压敏粘合剂(psa)和纸之间的交互是一个具有挑战性的系统因为失败可以出现在论文的结构,以及在胶或胶/基体界面。

论文的表面能量范围从25 - 60 mJ / m²附着力差,观察到聚乙烯的临界表面张力的纸是低于聚合物(= 31 mN / m)。Gervason等人证明了分层的力量polyethylene-paper分层与纸张表面能增加不同大小的文件(19]。

Young-Dupre方程相关的热力学粘附到表面和界面的能量20.]: 在哪里液体的表面能和吗是平衡液体在固体表面的接触角。

纸表面的物理和化学特性,如粗糙度和表面能量,影响其粘附聚乙烯。这种聚合物的极性及其表面能也影响粘附到纸上。因此,工业过程生产层压包装通常应用电晕、火焰,臭氧改善基板间的附着力(12]。但是,这些治疗的科学理解和不同大小的影响应用程序仍然是有限的。

3所示。实验

3.1。材料

以下类型的纸板,请由Klabin S.A.,were used in this study: (a) top of the paperboard (white side) coated by a polar latex; (b) top of the paperboard coated by a nonpolar latex; and (c) bottom of the paperboard (brown side) both with and without starch application. For the sake of industrial confidentiality, the polar and nonpolar latexes will not be fully described in this paper and they are denominated as latex A and latex B, respectively.

低密度聚乙烯(LDPE),请捐赠的Braskem S.A.(密度为0.918克/厘米³和熔体流动指数8 g / 10分钟),在这项研究中使用。

3.2。方法

层压纸板/聚乙烯样品准备在一个挤出机(Technocoat公司,巴西的库里提巴)。进行了挤压在150米/分钟,没有火焰处理在纸板上。聚乙烯熔体温度为320°C和克重12 g / m²被用来繁殖典型工业生产叠层长寿命的包装条件。

3.2.1之上。分层测试:“皮测试”

聚乙烯/纸板之间的粘附力测定剥离试验方法使用“多测试”宽1.5厘米测试的设备样本180°和100毫米/分钟。十个标本为每个实验条件进行测试。一片应用于聚乙烯胶带防止拉伸分层测试期间,进行了从手工preseparated优势。分层测试聚乙烯/纸板使用干燥的样品上进行,而湿样品用于纸板底部的剥离试验(布朗)。否则,纤维素纤维拔出和内聚破坏而不是观察附着力。

3.2.2。粗糙度测量

一个轮廓曲线仪表面光度仪CLI 2001 -泰勒霍布森是用来评估的影响火焰处理卡纸的表面粗糙度。它也使用测量的影响淀粉应用底部表面的粗糙度。

3.2.3。表面能的测量(接触角)

纸板的表面能计算用接触角测量二极管甲烷和水(13,15)根据Tappi标准(T558-om-06)。测试请在德国汉高的实验室在圣保罗,巴西。利用接触角测量,纸板的表面能是由Owens-Wendt方法(19,21]。

4所示。结果与讨论

4.1。纸板表面能

图1显示的顶部纸板的表面能(白色),没有火焰处理的极性和非极性乳液(A和B)。

很明显,表面能的纸板涂有极地乳胶(A)高于非极性的纸板涂布胶乳(B)图1还表明,火焰处理增加纸板涂布的表面能与这两种类型的乳液。可以看出,纸板涂布的表面能与极地乳胶没有火焰处理类似于纸板涂布的表面能与flame-treated非极性橡胶。火焰处理引入了极性基团纸板的表面,增加其表面能,促进传播的聚乙烯和增加附着力(4]。正如前面提到的,一个系统是稳定的 ,在哪里固体表面张力,是液体表面张力,是固-液表面张力(12,13]。

不可能计算底部的表面能(布朗)的纸板,因为二碘甲烷(非极性液体)迅速吸收。因此,这个衬底上的接触角只能测量水(极性液体),如图2。这个数字表明,淀粉降低了水的接触角在这个底物由于其亲水的性格。图2也表明,火焰处理提高了底物与水的亲和力,减少纸板的接触角在底部,有或没有淀粉。

4.2。粗糙度测量

火焰处理的影响在纸板表面的粗糙度进行评估,因为机械联锁是一个可能的机制,导致附着力。表1显示了粗糙度参数Ra (µ米),测量的上表面涂有极乳胶和纸板的底部,没有淀粉的应用程序。可以看出,火焰处理并不影响粗糙度的表面(顶部和底部)。因此,火焰处理对附着力的影响主要可以归因于表面能修改。

赵et al。22]研究了纸和压敏胶之间的交互通过皮附着力测试。他们观察到的属性,影响界面的剥离力故障域被发现主要是纸张表面化学,由氧/碳比特征(由XPS),其次,表面粗糙度。皮力增加,氧/碳比和表面粗糙度。

4.3。分层测试:“皮测试”

图3显示了A和B的影响乳液以及火焰处理的附着力聚乙烯在顶部的纸板。可以看出,火焰处理显著提高了乳液的附着力。另一个重要方面是,极地乳胶提拔一个表达增加附着力聚乙烯顶部的纸板;其效果与上方的火焰处理的应用程序,这是与非极性橡胶涂层b .这个结果是按照表面能值呈现在图1。

图4显示了影响淀粉的应用程序之间的附着力聚乙烯和flame-treated纸板的底面。可以看出,淀粉显著降低了这些组件之间的粘附力。正如前面提到的,它是不可能衡量的底部的表面能纸板由于二碘甲烷的吸收。然而,图3表明,淀粉水的接触角降低衬底。这种效应表明,其表面能量增加,因此粘附力应该增加。因此,降低粘附力的一个可能的原因可能是轻微的表面粗糙度下降由于淀粉的应用,如表所示1。应该指出,淀粉的使用是非常重要的,以避免纤维释放。因此,有必要控制淀粉应用于底面的数量来平衡这两种对立的效果。火焰处理基本重要性也在这种情况下,否则聚乙烯和底部表面之间的附着力是微不足道的。

图5显示了聚乙烯的粘附力的函数顶部的纸板涂布的表面能和极性和非极性乳液,都有和没有火焰处理。可以看出,有一个很好的线性适应(这两个参数之间)。因此,纸板的表面能量的直接指示其附着力聚乙烯。这种关系解释了为什么顶部的纸板涂层的附着力和乳胶,没有火焰处理类似于表面涂层的附着力flame-treated非极性橡胶B:表面能量几乎是相同的。图5也表明,顶部的纸板涂层的附着力与极地乳胶(A)与火焰处理远高于其他三个实验条件,因为它的表面能远远优于他人。

这些结果是根据观察到的伯内特和et al。23]。在这项研究中,各种热塑性聚烯烃(TPO)提交给不同的表面处理,以提高其粘附特性。表面能量测量使用反气相色谱(IGC),和价值观相关的机械附着力测试画聚烯烃。更高的表面能量衡量IGC导致增加油漆的附着力。因此,上述作者得出的结论是,IGC可以作为预测工具TPO-paint粘附和机械基体的性能。

这些结果也符合所观察到的Gervason et al。19]。在他们的研究中,不同报纸的表面能处理各种分级代理决定通过测量接触角。聚乙烯/纸剥的能量所遵循的线性关系和可逆的附着力。他们解释这个结果,断裂发生在界面,在界面缺陷的大小取决于扩散系数。

Gervason et al。19]提到,他们可以利用可逆的经典表达粘附(1),因为他们处理一个给定的胶粘剂(聚乙烯)在一系列的信徒(论文)。他们还认为,可以被忽视(1),因为使用的材料在他们的研究大多是极性的,有相似的价值观的表面能。基于这些考虑,它们表明,断裂能量线性依赖于粘附的工作。然而,他们并没有显示结果的附着力和表面能。

根据Aravas et al。24),当电影变形弹性在脱皮,胶粘剂的剥离力直接测量断裂能量。在这种情况下,剥能源()是由以下方程: 在哪里皮力单位宽度的电影吗皮角。因此,正如前面提到的,魏和哈钦森25),在稳态剥落,所做的功皮力单位的界面裂纹(单位宽度的电影)。这假设电影的整体拉伸能量的贡献(包括残余弹性能量在保税电影)与工作的平衡可以被忽视的25]。如前所述,我们应用一个胶带,聚乙烯期间防止拉伸分层测试。

图6介绍了剥能源(聚乙烯的函数的顶部的纸板的表面能。比较的目的,这一数字也提供了相应的数据Gervason et al。19]。可以指出,剥落的能源获得的价值在当下的工作非常类似于Gervason et al。19]。然而,在我们的工作中,这些剥落的能量获得纸表面能量高于报道Gervason et al。19]。解释这种差异是由于大厚度的聚乙烯(20 g / m²)Gervason用来绘制剥能源的表面能量的函数。根据Gervason et al。19),剥离强度的增加与聚乙烯厚度、恒定纸表面能,可以解释的伴随增加接触面积和聚合物之间的附着。

剥离试验方法在180°,本研究评估中使用的粘附力,提供比人工分层结果更为可靠,主要依赖于知觉的分析师。然而,我们的研究结果表明,表面能测量更适合在造纸行业质量控制,因为这种方法可以预测附着力没有准备叠层聚乙烯包。

5。结论

火焰处理并不影响表面粗糙度,但显著提高纸张表面能量。极地的纸板涂布胶乳显示更高的表面能比纸板涂上了非极性橡胶。淀粉的应用在底部的纸板对聚乙烯的附着力下降,这可能是由于较低的表面粗糙度。剥离试验方法在180°,用于本研究探讨粘附力,比人工分层提供了更可靠的结果,这在很大程度上依赖于知觉的分析师。聚乙烯和纸板之间的粘附力提供了一个线性相关的表面能的纸不同的实验条件(极性和非极性橡胶,和没有火焰处理)。因此,这项研究表明,纸板的表面能是一个很好的指标,其附着力聚乙烯和,这是一个非常可靠和实用的方法,在造纸行业的生产质量控制层压包。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢Klabin S.A.,Tetra Pak, Technocoat, Henkel, Braskem S. A., Arotec, CAPES, and the Graduate Program in Materials Science and Engineering of the State University of Ponta Grossa for their support regarding the present research project.

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